電子助力轉(zhuǎn)向系及四輪轉(zhuǎn)向系淺析（二）

◆文/江蘇　趙寶平　劉曉雪　鄧飛虎

電子助力轉(zhuǎn)向系及四輪轉(zhuǎn)向系淺析（二）

◆文/江蘇趙寶平劉曉雪鄧飛虎

（接上期）

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)接通時(shí)，電源加于電子控制單元上，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系才能進(jìn)行工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng)時(shí)，交流發(fā)電機(jī)L端子的電壓加到電子控制單元上。當(dāng)檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。

在車輛行駛時(shí)，電子控制單元按不同車速下的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩控制電動(dòng)機(jī)的電流，并完成電子助力轉(zhuǎn)向和普通轉(zhuǎn)向控制之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)車速高于30km/h時(shí)，則轉(zhuǎn)換成普通的轉(zhuǎn)向控制，電子控制單元沒有離合器信號(hào)和電動(dòng)機(jī)電流輸出，離合器處于分離狀態(tài)。當(dāng)車速低于27km/h時(shí)，電子控制單元又輸出離合器信號(hào)和電動(dòng)機(jī)電流，普通轉(zhuǎn)向控制又轉(zhuǎn)換為動(dòng)力轉(zhuǎn)向的工作方式。

電子控制單元還具有自我修正的控制功能。當(dāng)電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)斷開電動(dòng)機(jī)的輸出電流，恢復(fù)到正常的轉(zhuǎn)向功能；同時(shí)速度表內(nèi)的電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向報(bào)警燈點(diǎn)亮，用于通知駕駛員動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)生故障。

圖12　電控液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的組成

二、電控液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

電控液力式轉(zhuǎn)向系是電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向的另外一種型式。它通過控制電磁閥的動(dòng)作，使動(dòng)力轉(zhuǎn)向液壓控制回路油壓根據(jù)車速而變化，在低速時(shí)操縱力減輕，在中低速以上時(shí)操縱力不致過小，即保持一定的手感。

1.電控液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的組成

如圖12所示，電控液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系主要由轉(zhuǎn)向控制閥、電磁閥、分流閥、轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸、轉(zhuǎn)向油泵、儲(chǔ)油罐、車速傳感器和電子控制單元組成。

(1)轉(zhuǎn)向控制閥

轉(zhuǎn)向控制閥的結(jié)構(gòu)如圖13所示，其基本結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制閥的基礎(chǔ)上，在內(nèi)部增加了油壓反力室和4個(gè)小柱塞，4個(gè)小柱塞位于控制閥閥體下端的油壓反力室內(nèi)。輸入軸部分有2個(gè)小凸起頂在柱塞上。在油壓反力室受到高壓作用時(shí)，柱塞將推動(dòng)控制閥閥桿。此時(shí)，由于柱塞推力的影響，扭桿即使受到轉(zhuǎn)矩作用，也會(huì)抑制控制閥閥桿與閥體的相對回轉(zhuǎn)。

圖13　轉(zhuǎn)向控制閥

(2)分流閥

分流閥的作用是將來自轉(zhuǎn)向油泵輸出的液壓油向控制閥一側(cè)和電磁閥一側(cè)分流，按照車速和轉(zhuǎn)向要求，改變控制閥一側(cè)與電磁閥一側(cè)的油壓，確保電磁閥一側(cè)具有穩(wěn)定的油液流量。阻尼孔的作用是把供給轉(zhuǎn)向控制閥的一部分流量分配到油壓反力室一側(cè)。

(3)電磁閥

電磁閥由滑閥、電磁線圈、油路通道等構(gòu)成。電磁閥油路的阻尼面積可隨電磁線圈通電電流占空比(通斷比)變化。車速低時(shí)通電電流大，滑閥被吸引，油路的阻尼增大，流向油箱的回流量增加；隨著車速的升高，電流減小，油液回流量也減少。

2.電控液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的工作原理

電控液力式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系具有3種控制狀態(tài)。電子控制單元(ECU)根據(jù)車速傳感器信號(hào)判斷出車輛停止、低速狀態(tài)與中高速狀態(tài)，控制電磁閥通電電流。

(1)停車與低速狀態(tài)

電子控制單元(ECU)使電磁閥通電電流大，經(jīng)分流閥分流的油液通過電磁閥流回油箱，柱塞受到的背壓小(油壓低)，柱塞推動(dòng)控制閥閥桿的力矩小，因此只需要較小的轉(zhuǎn)向力就可使扭桿扭轉(zhuǎn)變形，使閥體與閥桿發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)而使控制閥打開。油泵輸出油壓作用到動(dòng)力缸右室(或左室)，使動(dòng)力缸活塞左移(或右移)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力。

(2)中高速直行狀態(tài)

在車輛直行時(shí)，轉(zhuǎn)向偏擺角小，扭桿相對轉(zhuǎn)矩小，控制閥油孔開度減小，控制閥側(cè)油壓升高。由于分流閥的作用，使電磁閥側(cè)油量增加。同時(shí)，隨著車速的升高，通電電流減小，通過電磁閥流回油箱的阻尼增大，油壓反力室的反力增大，使柱塞推動(dòng)控制閥閥桿的力矩增大，轉(zhuǎn)向盤手感增強(qiáng)。

(3)中高速轉(zhuǎn)向狀態(tài)

從存在油壓反力的中高速直行狀態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)，扭桿的扭轉(zhuǎn)角進(jìn)一步減小，控制閥開度進(jìn)一步減小，控制閥側(cè)油壓進(jìn)一步升高。隨著該油壓升高，將從固定阻尼孔向油壓反力室供給油液。這樣，除從分流閥向油壓反力室供給的一定流量油液外，增加了從固定阻尼孔側(cè)供給的油液，導(dǎo)致柱塞推力進(jìn)一步增強(qiáng)。此時(shí)需要較大的轉(zhuǎn)向力才能使閥體與閥桿之間做相對轉(zhuǎn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力作用，使得在中高速時(shí)駕駛員可獲得良好的轉(zhuǎn)向手感和轉(zhuǎn)向特性。

三、四輪轉(zhuǎn)向系

對于四輪轉(zhuǎn)向系，當(dāng)汽車低速行駛轉(zhuǎn)向并且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度很大時(shí)，后輪相對于前輪反向偏轉(zhuǎn)，并且偏轉(zhuǎn)角度隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增大而在一定范圍內(nèi)增大。如汽車急轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭行駛、避障行駛或進(jìn)出車庫時(shí)，使汽車轉(zhuǎn)向半徑減小，轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能提高。汽車在高速行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪應(yīng)相對于前輪同向偏轉(zhuǎn)，使汽車車身的橫擺角度和橫擺角速度大為減小，使汽車高速行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性顯著提高。

從后輪轉(zhuǎn)向裝置的控制方法上，四輪轉(zhuǎn)向系可分為轉(zhuǎn)角隨動(dòng)型四輪轉(zhuǎn)向系和車速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向系。轉(zhuǎn)角隨動(dòng)型四輪轉(zhuǎn)向系都是采用機(jī)械式的，而車速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向系有液壓式、電子控制液壓式和全電子控制式。下面介紹不同類型的四輪轉(zhuǎn)向系。

1.機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系

(1)機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系的組成

如圖14所示，機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系主要由轉(zhuǎn)向盤、前輪轉(zhuǎn)向器、后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱、后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、后輪轉(zhuǎn)向器等組成。后輪轉(zhuǎn)向也是繞轉(zhuǎn)向節(jié)主銷偏轉(zhuǎn)的，其結(jié)構(gòu)與前輪相似。

圖14　機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系的組成

(2)后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱

①結(jié)構(gòu)

后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱的結(jié)構(gòu)如圖15所示。后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱中只有一對齒輪一根齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其齒條與前輪轉(zhuǎn)向器中的齒條共用，取力齒輪固定在與后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸相連的齒輪軸上，齒輪軸通過襯套支撐在齒輪箱殼的軸承孔中，后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱固定在車架上。

圖15　后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤使前輪轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向取力齒輪箱中的齒條在前輪轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)向齒條的帶動(dòng)下左、右移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與其嚙合的取力齒輪旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向操縱力的方向、大小、快慢就由后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸傳給后輪轉(zhuǎn)向器。

(3)后輪轉(zhuǎn)向器

①作用

后輪轉(zhuǎn)向器的作用是利用后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸傳來的轉(zhuǎn)向操縱力，驅(qū)動(dòng)后輪偏轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向。另外，還要控制后輪在轉(zhuǎn)向盤的不同轉(zhuǎn)角下，相對于前輪做同向或異向偏轉(zhuǎn)。

②結(jié)構(gòu)

后輪轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)如圖16所示，主要由偏心軸、齒圈、行星齒輪、滑塊、導(dǎo)向塊、轉(zhuǎn)向橫拉桿和后輪轉(zhuǎn)向器殼等組成。

③工作原理后輪轉(zhuǎn)向器的工作原理如圖17所示。后輪轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸輸入的轉(zhuǎn)向操縱力首先驅(qū)動(dòng)偏心軸使其繞軸線O轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)行星齒輪在偏心銷的帶動(dòng)下繞軸線O公轉(zhuǎn)，同時(shí)還與齒圈嚙合繞軸線P自轉(zhuǎn)。偏置在行星齒輪上的偏心銷穿過滑塊的中心孔并帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，滑塊的水平運(yùn)動(dòng)通過導(dǎo)向塊傳給轉(zhuǎn)向橫拉桿，驅(qū)動(dòng)后輪做轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

圖16　后輪轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

圖17　后輪轉(zhuǎn)向器的工作原理

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角很大時(shí)(行駛速度很低，處于急轉(zhuǎn)彎狀態(tài))，后輪相對于前輪反向偏轉(zhuǎn)，汽車轉(zhuǎn)向半徑減小，轉(zhuǎn)向機(jī)動(dòng)性能提高。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角很小時(shí)(高速調(diào)整行車方向或移線行駛)，后輪與前輪同向偏轉(zhuǎn)，使汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性顯著提高。

2.液壓式四輪轉(zhuǎn)向系

機(jī)械式四輪轉(zhuǎn)向系的后輪偏轉(zhuǎn)是依靠機(jī)械傳動(dòng)將前輪的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳到后輪上。由于機(jī)械部分不可避免地存在磨損，傳動(dòng)間隙增大，而使后輪實(shí)際偏轉(zhuǎn)角不準(zhǔn)確，性能下降。因此將被車速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向裝置所取代。

(1)液壓式車速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)

液壓式車速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向系的結(jié)構(gòu)如圖18所示，主要由前輪動(dòng)力轉(zhuǎn)向器、前輪轉(zhuǎn)向油泵、控制閥及后輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸、后輪轉(zhuǎn)向油泵等組成。

后輪轉(zhuǎn)向系由控制閥、后輪轉(zhuǎn)向油泵和后輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸組成?？刂崎y的內(nèi)腔被柱塞分割成幾個(gè)工作油腔，左、右油腔分別與前輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左、右油腔相通，柱塞的位置由前輪動(dòng)力缸內(nèi)的油壓進(jìn)行控制。后輪轉(zhuǎn)向油泵由后軸差速器驅(qū)動(dòng)，其輸出油量只受車速影響。前輪為齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，其結(jié)構(gòu)與普通液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系相同。液壓式四輪轉(zhuǎn)向系的特點(diǎn)是低速時(shí)汽車只采用兩輪轉(zhuǎn)向，只在汽車行駛達(dá)到50km/h后才進(jìn)行四輪轉(zhuǎn)向。

圖18　液壓式四輪轉(zhuǎn)向系示意圖

(2)液壓式車速感應(yīng)型四輪轉(zhuǎn)向系的工作原理

當(dāng)向左轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，前輪動(dòng)力缸及控制閥側(cè)壓力腔壓力升高(圖19)。控制柱塞向右移動(dòng)，柱塞的移動(dòng)量受前輪動(dòng)力缸左右腔壓力差以及轉(zhuǎn)向盤操縱力大小的控制。同時(shí)，后輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸輸出的油液經(jīng)過控制閥的相應(yīng)通道進(jìn)入后輪轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的右腔，使動(dòng)力缸活塞向左移動(dòng)，通過活塞桿將作用力作用于后輪懸架的中間球鉸接頭，使后輪與前輪同向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，情況則與上述相反，后輪與前輪仍同向偏轉(zhuǎn)。因后油泵送油量與車速成正比，高速時(shí)送油量大，反應(yīng)快，后輪轉(zhuǎn)角也大；在低速或倒車時(shí)，則不產(chǎn)生作用。當(dāng)油壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制閥柱塞會(huì)保持在中間位置，保持兩輪轉(zhuǎn)向。

3.電子控制液壓式四輪轉(zhuǎn)向系

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子控制技術(shù)也應(yīng)用于四輪轉(zhuǎn)向系。在前兩種四輪轉(zhuǎn)向系中，由于采用機(jī)械和隨車速變化的油壓控制，使后輪偏轉(zhuǎn)角的控制不夠精確。在電子控制液壓式四輪轉(zhuǎn)向系中，由于采用了電子相位控制系統(tǒng)，使后輪偏轉(zhuǎn)角度控制更精確。

（未完待續(xù)）

(作者趙寶平、劉曉雪、鄧飛虎單位：金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院)